محاسبه تحمل بار تیرآهن 

محاسبه بار تیرآهن یکی از مهم‌ترین مراحل در ساخت سازه‌های عمرانی است که باید به دقت انجام شود و مورد بررسی قرار گیرد. زیرا، میزان بارهایی که به ساختمان وارد می‌شوند زیاد است و تیرآهن وظیفه‌ی انتقال این بارها را دارد. تعیین میزان تحمل بار تیرآهن می‌تواند نقش اساسی در تضمین ایمنی و استحکام سازه ایفا می‌کند. در این مقاله از آهن صد، به بررسی مفهوم تحمل بار تیرآهن، انواع بارهای وارد بر آن، نحوه محاسبه تحمل بار و عوامل موثر روی  تحمل بار تیرآهن می‌پردازیم. 

منظور از تحمل بار تیرآهن چیست؟

منظور از میزان تحمل بار تیرآهن، توانایی آن در مقابله با نیروهای وارد بر سازه است، بدون اینکه دچار تغییر شکل، ترک‌خوردگی یا آسیب شود. تیرآهن‌ها به دلیل درصد بالای کربن در ترکیب خود، مقاومت و استحکام بالایی دارند که این ویژگی، تحمل بار آن‌ها را افزایش می‌دهد. بارهای وارد بر تیرآهن شامل وزن خود تیرآهن، اجزای ثابت سازه، افراد و بارهای ناشی از خمشی، کششی و برشی است. وظیفه اصلی تیرآهن انتقال این نیروها به فونداسیون و زمین است تا از ایجاد هرگونه مشکل جلوگیری شود. 

انواع بارهای وارد بر تیرآهن در  سازه

همانطور که گفته شد، بارهای زیادی از طریق سازه‌های ساختمانی به تیرآهن‌ها وارد می‌شوند که شناخت آنها می‌تواند در طراحی و ساخت صحیح سازه‌ها بسیار موثر باشند. به طور کلی، این بارها می‌توانند به دو دسته زیر تقسیم می‌شوند. 

• بارهای مرده: بارهای ناشی از وزن خود تیرآهن و اجزای ثابت سازه که بدون تغییر و ثابت هستند را بار مرده می‌گویند. شامل سقف، دیوار، اسکلت ساختمان و… می‌شود که بار مرده را بعد از اتمام ساخت می‌توان تعیین کرد. 
• بارهای زنده: بارهای زنده، شامل بارهایی می‌شوند که متغیر هستند و امکان  تغییر محل یا جابه‌جایی آنها در زمان‌های مختلف را دارند. برخی از بارهای زنده مانند وسایل خانه یا اداره، قابلیت جابه‌جایی دارند اما در یک محل ثابت هستند. در مقابل، آسانسورها و بالابرها، جزوه بارهای زنده با محرک‌های جانبی و اثر زیاد هستند که می‌توانند نیروی زیادی را در زمان حرکت اعمال کنند. البته، به بارهای زنده، سربار هم می‌گویند که شامل تمامی بارهای وارد به ساختمان در جهت استفاده و بهره‌وری از  ساختمان است. 

علاوه بر بارهایی که به تیرآهن وارد می‌شوند، برخی از نیروها نیز وجود دارند که می‌توانند بر تیرآهن اثر گذار باشند که این نیروها عبارتند از: 

• نیروی خمشی: نیروهای گشتاوری هستند که باعث ایجاد خمش در تیرآهن می‌شوند و ممکن است باعث تغییر شکل یا شکست تیر شوند.
• نیروی برشی: نیروهای غیر هم جهتی که باعث ایجاد برش در مقطع تیرآهن شوند. این نیروها در زمانی به وجود می‌آیند که بارها به صورت عمودی روی تیرآهن اعمال شوند. 
• نیروی محوری: شامل نیروهای کششی و فشاری هستند در راستای محور طولی تیرآهن عمل می‌کنند و  اغلب در ستون‌ها یا تیرها ایجاد می‌شوند.
• نیروی چرخشی: نیرویی که تیرآهن را حول محور طولی آن می‌چرخاند. این نیروها بیشتر در سازه‌های خاص مانند پل‌ها یا تیرهای جرثقیلی ظاهر می‌شوند.

عوامل موثر بر تحمل بار تیرآهن

عوامل متعددی هستند که می‌توانند بر تحمل بار تیرآهن تاثیرگذار باشند. از جمله این موارد عبارتند از: 

1. نوع تیرآهن: تیرآهن‌ها در انواع، شکل و سطح مقطع‌های مختلفی تولید می‌شوند که هر یک می‌توانند دارای ظرفیت تحمل بار متفاوتی باشند. به عنوان مثال، تیرآهن IPE نسبت به IPN در شرایط مشابه، تحمل بار بیشتری دارد. 
2. کیفیت مواد اولیه و استاندارد تولید: مواد اولیه بیشتر مقاطع فولادی از شمش است که کیفیت و استحکام آن می‌تواند به طور مستقیم بر باربری تیرآهن تاثیرگذار باشد. به علاوه، تیرآهن‌ها باید بر اساس استانداردهای داخلی و خارجی مانند ASTM ،DIN و ISO تولید شده باشند تا هم از کیفیت و استحکام آن اطمینان ایجاد شود. هر چه از مواد اولیه با کیفیت‌تر استفاده شود و بر اساس استانداردهای تولید شوند، میزان باربری تیرآهن نیز بیشتر خواهد بود. 
3. ابعاد تیرآهن: ارتفاع، عرض و ضخامت می‌توانند بر ظرفیت تحمل بار نیز تاثیرگذار باشند. با افزایش ارتفاع تیرآهن و ضخامت بال و جان تیرآهن، ظرفیت باربری بیشتر می‌شود. 
4. نحوه قرارگیری تیرآهن در سازه: نحوه فاصله‌گذاری تیرآهن‌ها، نوع تکیه‌گاه و جهت قرارگیری می‌تواند بر نحوه توزیع بار تاثیر گذار است و زمانی که بار‌ها به درستی توزیع شوند، تحمل بار تیرآهن بالا می‌رود. 

میزان تحمل بار تیرآهن در انواع مختلف

میزان تحمل بار تیرآهن بسته به نوع و ابعاد آن متفاوت است. تیرآهن‌ها در انواع، سایزها و ضخامت‌های مختلفی تولید می‌شوند که میزان سایز و ضخامت آن نشان دهنده، میزان ظرفیت تحمل بار تیرآهن است. در ادامه، میزان تحمل بار تیرآهن در انواع مختلف را بیان می‌کنیم. 

• تحمل بار تیرآهن IPB: این تیرآهن به دلیل  داشتن ضخامت زیاد و بال‌های پهن نسبت به سایر تیرآهن‌ها، دارای تحمل ظرفیت بالاتری است و در مواقعی که نیاز به تحمل بارهای سنگین در سازه‌ها وجود دارد، مورد استفاده قرار می‌گیرد. بال‌های پهن این تیرآهن و ضخامت زیاد باعث انعطاف‌پذیری تیرآهن می‌شود. 
• تحمل بار تیرآهن IPE: این نوع از تیرآهن‌ها بر اساس استاندارد اروپایی DIN 1025-5 و استاندارد ایرانی ISIRI1791 تولید می‌شوند و دارای بال‌ها با ضخامت یکسان هستند. تیرآهن IPE در سازه‌های سبک مورد استفاده قرار می‌گیرد و نسبت به ضخامتی که دارد، میزان تحمل بار نسبتا خوبی دارد. 
• تحمل بار تیرآهن INP: تیرآهن INP شبیه تیرآهن IPE است با این تفاوت که ضخامت بال‌ها دارای ضخامت کمتری هستند و ظرفیت تحمل بار آنها معمولا بسته به جان تیرآهن متفاوت و بین 1.5 تا 6 تن است. 
• تحمل بار تیرآهن لانه زنبوری: به دلیل داشتن سوراخ‌های بزرگ، قادر به تحمل بارهای سنگین است و دارای مقاومت خمشی بالایی و وزن کمی هستند. 

بسته به نوع، سایز و ابعاد تیرآهن انتخابی می‌توان میزان تحمل بار می‌تواند، متفاوت باشد. 

نحوه محاسبه تحمل بار تیرآهن

همانطور که گفته شد، محاسبه تحمل بار تیرآهن از مهم‌ترین مراحل در طراحی سازه‌های عمرانی و ساختمانی است که این محاسبه بر اساس استانداردهای طراحی و ویژگی‌های منحصر به فرد انجام می‌شود. تحمل بار تیرآهن می‌تواند تحت تاثیر عوامل مختلفی قرار بگیرد که هر یک می‌توانند بر محاسبه تاثیرگذار باشند. با این حال، راه‌های متفاوتی برای محاسبه تحمل بار تیرآهن وجود دارد که از راحت‌ترین راه‌ها می‌توان به جدول استاندارد اشاره کرد. با استفاده از جدول تحمل بار که شامل ابعاد تیرآهن، وزن، سطح مقطع، ممان اینرسی و مدول مقطع  است، برای ارزیابی ظرفیت تحمل بار ضروری هستند. همچنین، نحوه قرارگیری تیرآهن روی تکیه‌گاه و نوع بارگذاری آن نیز می‌تواند، در محاسبه تیرآهن تاثیرگذار باشد. علاوه‌بر جدول، می‌توانید با استفاده از فرمول محاسبه تحمل بار تیرآهن در کتاب‌های ساختمانی، این ظرفیت را محاسبه کنید که در ادامه این فرمول را به طور کامل تشریح می‌کنیم. 

فرمول محاسبه تحمل بار تیرآهن

همانطور که گفته شد، یکی از راحت‌ترین راه‌ها برای محاسبه تحمل بار تیرآهن استفاده از فرمول است. این فرمول به شرح زیر است: 

تحمل بار تیرآهن=((عرض جان×ارتفاع جان)+(2×عرض بال × ارتفاع بال))×مقاومت تسلیم فولاد

میزان تنش مجاز بسته به نوع فولاد می‌تواند متفاوت باشد، تنش مجاز برای فولادهای معمولی، مانند فولاد ST37، معمولاً بین 250 تا 350 مگاپاسکال است. در صورتی که سطح مقطع شکل خاصی داشته باشد، باید اجزای آن را جدا کرده و حساب کنید. با استفاده از این فرمول می‌توایند، میزان تحمل بار تیرآهن را محاسبه کنید. 

محاسبه تحمل بار تیرآهن های پر مصرف در بازار 

تیرآهن‌های پر مصرف در بازار شامل بار تیرآهن 12، 14، 16 و 18 است که در بسیاری از پروژه‌های ساختمانی مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای استفاده بهینه‌‎تر از این نوع تیرآهن‌ها، تحمل بار هر یک را بررسی می‌کنیم. 

تحمل بار تیرآهن 12: تیرآهن 12 از نوع IPE است که هر شاخه آن وزنی حدود 125 کیلوگرم دارد و به عنوان سبک‌ترن نوع تیرآهن‌ها شناخته می‌شود. از آنجا که وزن یکی از مهم‌ترین عوامل در تعیین تحمل بار تیرآهن است، به دلیل وزن کم، این تیرآهن در قسمت‌هایی که تحت فشار نیست، به کار می‌رود. 

تحمل بار تیرآهن 14: این تیرآهن معمولا در طول 6 یا 12 متری تولید می‌شود و به دلیل داشتن وزن بیشتر، دارای تحمل بار بیشتری است. هر شاخه از تیرآهن 14 از نوع IPE،  وزنی حدود 155 کیلوگرم دارد و برای سقف و تیرهای فرعی مناسب هستند. این نوع از تیرآهن‌ها در هر نوعی می‌توانند در سه وزن سبک، متوسط و سنگین ظاهر شوند و بسته به نیاز بکار روند. 

تحمل بار تیرآهن 16: تیرآهن 16 در دسته تیرآهن‌های سنگین قرار می‌گیرد، به طوری که وزن هر شاخه آن در نوع IPE می‌تواند حدود 190 کیلوگرم باشد. از این نوع تیرآهن معمولا به عنوان ستون اصلی استفاده می‌شود و دارای تحمل بار تقریبا بالایی است. 

تحمل بار تیرآهن 18: از سنگین‌ترین و معروف‌ترین نوع تیرآهن‌ها که می‌توانند در تیرها و ستون‌های اصلی به دلیل داشتن مقاومت و تحمل بار بالا مورد استفاده قرار بگیرند. وزن هر شاخه از تیرآهن 18 از نوع هاش سبک می‌تواند، حدود 426 کیلوگرم باشد.

تفاوت میزان تحمل بار تیرآهن و وزن تیرآهن

میزان تحمل بار تیرآهن و وزن آن با یکدیگر رابطه نزدیکی دارند، اما به جنبه‌های مختلفی از ویژگی‌های تیرآهن اشاره دارند. تحمل بار تیرآهن، به معنای حداکثر تحمل تیرآهن در مقابل نیروهای وارد شده بدون آسیب دیدگی، خمیدگی یا شکستن است. این تحمل بار می‌تواند به عواملی مانند ابعاد، نوع، طول، وزن و نوع استفاده آن بستگی داشته باشد. به عبارتی دیگر می‌توان گفت، تحمل بار، حداکثر وزنی است که یک تیرآهن می‌توان تحمل کند و دچار آسیب نشود. در مقابل، وزن تیرآهن بر اساس ابعاد، جنس و طول می‌تواند متغیر باشد و بر حسب واحد کیلوگرم بیان شود. وزن تیرآهن معمولا تحت تاثیر عوامل مختلف مانند ضخامت، چگالی فولاد، طول و سایز آن تغییر کند که در کل با تحمل بار کاملا متفاوت است. 

سخن آخر

محاسبه تحمل بار تیرآهن در سازه‌های ساختمانی می‌تواند از مهم‌ترین گام‌‌ها برای دوام پروژه باشد. عوامل موثر بر تحمل فشار می‌تواند شامل نوع و ابعاد تیرآهن، کیفیت مواد اولیه، استانداردهای تولید و نحوه قرارگیری در سازه هستند که بسته به نوع تیرآهن این عوامل می‌توانند تاثیرگذاری متفاوتی داشته باشد. با استفاده از جدول استاندارد و فرمول مهندسی می‌توانید میزان تحمل بار تیرآهن را محاسبه کرد. 

سوالات متداول محاسبه تحمل بار تیرآهن: